浅谈电力电子中的双脉冲测试

前言

一般的，我们是通过阅读器件厂商提供的datasheet来了解一个器件的参数特性，但是datasheet中所描述的参数是在特定的外部参数条件测试得来的，因此这些参数不能都可以直接拿来使用的。因此可以通过双脉冲测试，通过给定两个脉冲来测试IGBT的开关特性，进而对器件性能进行更准确的评估。

一、双脉冲测试可以获得器件哪些真实参数？

首先是获取开关管开关过程中的参数，可以用来评估驱动电阻数值是否合适，是否需要加吸收电路等。而且可以衡量开关管在实际电路中的表现，主要有反向恢复电流，关断电压尖峰，开通关断时间等。通过观察IGBT的栅极波形，评估IGBT驱动板是否能为IGBT开启提供足够的驱动电流；获取IGBT在开通、关断过程的主要参数，以评估Rgon与Rgoff的选择是否合适；观察开通、关断过程是否有电压尖峰，评估实际应用是否需要吸收电路；评估二极管的反向恢复行为和安全裕量；测量母排的杂散电感；

二、双脉冲测试的基本原理是什么？

以集成驱动电路的简化模型为例进行分析，双脉冲测试通常以半桥形式测试，所谓双脉冲就是上管保持关断，下管驱动信号给定两个脉冲从而测试下管的开关特性。如图所示，上管两端并接一个电感，就可以测试出下管的特性以及上管的反向二极管特性。

图1

穿插几个帮助理解的定义：

1、二极管反向恢复时间：

开关从导通状态向截止状态转变时，二极管或整流器在二极管阻断反向电流之前需要首先释放存储的电荷，这个放电时间被称为反向恢复时间,在此期间电流反向流过二极管。总的来说，反向恢复时间就是正向导通时PN结存储的电荷耗尽所需要的时间。因此，就很容易明白下面这些：

反向电源电压越小，反向恢复电流越小，电荷耗尽越慢，反向恢复时间越长。

正向电流越大，存储的电荷越多，耗尽时间越长，反向恢复时间越长。

半导体材料的载流子复合效率越低，寿命越长，电荷耗尽时间越长，反向恢复时间越长。整个过程，电源电压，二极管两端电压，反向电流的波形图如下所示，图中的trr就是反向恢复时间。

图2

2、IGBT开关参数的定义:

ton、td（on）、tr、toff、td（off）、tf、（di/dt）on属于IGBT的开关时间参数，直观地表征了IGBT在理想状况下的开关速度。其中，ton=td（on）+tr，toff=td（off）+tf，因此我们只要搞清楚td（on）、tr、td（off）、tr就可以了，技术手册一般给出的也正是这4个参数。

·ton：Turn-On time，开通时间。

·td（on）：Turn-On delay time,开通延时。

·tr：Rise time，上升时间。

·toff：Turn-Off time,关断时间。

·td(off)：Turn-Off delay time,关断延时。

·tf：Fall time，下降时间。

·(di/dt)on：Turn-On current slope，开通电流（波形）斜率，单位为A/μs。

tr、tf和td（on）、td（off）在数值上的差别并不太大，但tr、tf是集电极电流变化范围比较大的时间段，因此对IGBT的性能影响比较大，用它们来衡量IGBT的开关速度也更实用。要限制(di/dt)on，一般通过调整栅极电阻RG 来实现。开关时间受Ic的影响比较小，受IG的影响比较明显，而IG又明显受到栅极电阻RG的影响，因此 RG对开关时间是有明显影响的。RG增大，除了会使tf略有减小以外，将使其他开关参数变长，总的影响是使开关时间变长。因此，要限制开关时间，可适当增大RG；但是，过度增加RG，会使IGBT的适用功率频率降低，还会增加栅极驱动功率的消耗。总体上看，RG一般不超过100Ω，电流规格越大的IGBT，RG的取值越小。

测试总结：

双脉冲测试时几个问题可以注意下：

（1）要想获得较为精确的测量值，对测试仪器有很大要求。一般采用高压探头取Vge、Vce，罗氏线圈电流探头取IcIc，对于驱动信号可以采用普通探头获得。同时，有条件的情况下，可以对高压探头，罗氏线圈/高精度电流探头进行校准，以此减小测量仪器带来的误差。

（2）调整门极电阻Rgon可以强烈地影响该过程，用以确定Rgon的数值是否合适。

（3）负载电感可以自己绕制空心电感，或者购买相应空心电感，尽量不用使用磁粉芯电感，瞬间大电流会影响粉心电感电感值，从而对测试结果造成影响。

（4）直流侧需要高压电源，一般情况下，为保护仪器，可以用多个电容串并联（同时并联电阻用于放电），使用高压电源为电容充电，然后给被测电路供电。

（5）双脉冲信号可以用DSP或者其他信号发生器产生，测试前需使用示波器观察发生的信号脉冲时间是否与预期相同，这个会影响对结果分析与判断。

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